Prólogo.
Este trabajo de grado está inspirado en el deseo de obtener una interacción más natural entre los usuarios y las computadoras; así como también en la curiosidad de sentirse inmerso en las fantasías que se pueden simular con un computador.
Tiene como objetivo estudiar un conjunto de posibles medios de interacción con el computador, basados en el movimiento del cuerpo humano, específicamente el de las manos y la cabeza.
La razón que llevó a adoptar este tema es la posibilidad que brinda de romper con el mito de que estos dispositivos no están al alcance del usuario común y los desarrolladores de software.
Gracias a:
Biaggio Cante, por su guía y apoyo invaluable.
Mi esposa Danella, por su gran paciencia y confianza en mí para lograr este proyecto.
Mis padres, mis hermanos y mi abuela.
Carlos Magurno mi tutor, por darme el espacio y la libertad que no ofrecen todos los tutores y no aprecian todos los estudiantes.
Dedicatoria.
A Martino Giordano, soñador y filósofo, que descanses en paz y que Dios te tenga en su gloria.
Tabla de contenido. Prólogo. ...i Agradecimientos. ...ii Dedicatoria... iii Sinopsis. ... 1 Introducción. ... 3
1. Planteamiento del Problema... 5
2. Objetivos... 7 2.1. Objetivo General. ... 7 2.2. Objetivos Específicos. ... 7 3. Limitaciones y Alcances... 9 4. Justificación. ... 12 5. Marco Teórico. ... 14
5.1. Efecto estereoscópico de la vista. ... 14
5.2. Técnicas para lograr un efecto estereoscópico. ... 17
5.2.1. Imágenes de visión libre paralela. ... 17
5.2.3. Anaglifos. ... 18
5.2.4. Polarización. ... 18
5.2.5. Imágenes Alternativas o Entrelazadas... 19
5.3. Tipos de Head Mounted Displays (HMD’s)... 19
5.3.1. HMD’s Monoculares... 20
5.3.2. HMD’s Binoculares o Estéreo. ... 20
5.3.3. Shutter Glasses. ... 20
5.4. Tipos de Guantes Virtuales según su funcionamiento. ... 20
5.4.1. Guantes Ópticos (DataGlove):... 21
5.4.2. Guantes de Tinta Conductiva (PowerGlove):... 21
5.4.3. Guantes de Tensión (CyberGlove): ... 22
5.4.4. Guante Electro-Mecánico (EXOS Dextrous Hand Máster): ... 23
5.5. Métodos de respuesta al usuario para los guantes virtuales... 23
5.5.1. Force Feedback:... 23
5.5.2. Tactile Feedback: ... 24
5.6. Tecnologías de rastreo de movimiento y posicionamiento... 25
5.6.2. Rastreadores Inerciales. ... 27
5.6.2.1. Funcionamiento de los Giroscopios... 29
5.6.2.2. Funcionamiento de los Acelerómetros... 29
5.6.3. Rastreadores Magnéticos. ... 30
5.6.4. Rastreadores Ultrasónicos... 31
5.6.5. Rastreadores Ópticos. ... 32
5.6.6. Rastreadores por Ondas de Radio y Microondas. ... 33
5.6.7. Rastreadores Híbridos. ... 35
5.6.8. Comparación entre los diferentes tipos de rastreadores... 35
5.7. Funcionamiento de un Convertidor Analógico Digital (ADC). ... 36
5.8. Puerto USB (Universal Serial Bus)... 39
6. Metodología. ... 45
7. Desarrollo... 47
7.1. Convertidor Analógico/Digital e Interfaz USB. ... 47
7.1.1. Microcontrolador Pic18f4550. ... 49
12.1.2. Configuración del ADC. ... 51
7.2. Construcción del guante virtual. ... 56
7.3. Construcción del dispositivo de rastreo de posición y orientación para el guante. ... 58
7.3.1. Firmware del Guante virtual... 65
7.4. Construcción del dispositivo de rastreo de posición y orientación para la cabeza... 65
7.5 Diseño y desarrollo del software de control y API. ... 67
8. Resultados... 70
9. Conclusiones y Recomendaciones. ... 72
Índice de Tablas y Figuras... 74
Sinopsis.
El objetivo de este trabajo es construir un set de realidad virtual compuesto por un guante y un casco que permitan la interacción con el computador y que se puedan elaborar réplicas fácilmente. La función principal de estos dispositivos es proveer al computador información sobre la flexión de los dedos de la mano, la posición y orientación de la misma y de la cabeza del usuario.
Para detectar la flexión de los dedos de la mano se utilizó un arreglo compuesto de un diodo luminoso o diodo LED y una foto resistencia colocados en los extremos de un tubo flexible cubierto con un material semi reflectivo para cada uno de los dedos, de manera que la intensidad de luz emitida por el diodo que llega a la foto resistencia varía con la flexión del tubo.
El dispositivo de rastreo de la cabeza esta conformado por un arreglo de resistencias variables o potenciómetros sobre una estructura de madera que semeja un brazo mecánico, los potenciómetros ubicados en las uniones permiten calcular los ángulos según la variación en las resistencias.
Para el rastreo de la posición y orientación de la mano se utilizó un arreglo de tres giroscopios electromecánicos de Analog Devices modelo ADXR300 y un acelerómetro tri-axial de Kionix modelo KXM52. Estos dispositivos permiten calcular los movimientos de rotación de la mano, así como sus movimientos a lo largo de los ejes de coordenadas.
Los voltajes emitidos por los componentes deben ser convertidos en señales digitales para ser transmitidas y procesadas por el computador; para ello, el elemento clave y primer paso del desarrollo fue el diseño e implementación de un circuito que convirtiera las señales analógicas en digitales y las transmitiera al computador. Esto se logró utilizando un microprocesador Pic18f4550 de Microchip que tiene entre sus capacidades un convertidor Analógico Digital de 10-bits y módulo USB (Universal Serial Bus) para comunicarse con el computador.
En la ciencia de la computación, la realidad virtual esta definida como la simulación por computadora de un sistema real o imaginario que permita al usuario realizar operaciones, interactuar en el sistema simulado y mostrar el efecto en tiempo real.
Los sistemás de realidad virtual (VR) permiten al usuario moverse e interactuar en un ambiente simulado por computadora, utilizando diversos dispositivos a través de los cuales el usuario puede sentir y manipular los objetos virtuales como en el mundo real. Los mundos simulados son creados a partir de modelos matemáticos y programás de computadoras. La realidad virtual se diferencia de otras simulaciones, ya que estas requieren de dispositivos de interfaz que permitan una interacción más “natural” entre el usuario y el ambiente simulado, sistemás más complejos no solo permiten respuesta visual y auditiva por parte del sistema, también tienen la capacidad adicional de transmitir los movimientos del usuario al mundo simulado como parte de la interacción.
La inmersión del usuario en el mundo virtual es el factor clave en la realidad virtual. La percepción del mundo virtual esta conformada por la forma en que se estimulan los sentidos del usuario, la combinación de sentidos estimulados y la interacción con el mundo virtual; esto es directamente proporcional al grado de inmersión. Los dispositivos a desarrollar en este trabajo proponen una interacción cinética con el mundo virtual a través de una respuesta visual.
En la primera sección, Planteamiento del problema, se presenta los dispositivos de realidad virtual estudiados y construidos en este proyecto.
En la segunda sección, Objetivos, se enumeran los objetivos que se buscan alcanzar en el desarrollo.
En la tercera sección, Limitaciones y alcances, se plantean los alcances de este proyecto y algunos factores que pudieron limitar su desarrollo.
En la cuarta sección, Justificación, se consideran algunos factores causantes de la situación actual de los dispositivos de realidad virtual con el objetivo de justificar la elaboración de este proyecto.
En la quinta sección, Marco teórico, se presenta un resumen de la teoría que fundamenta este proyecto.
En la sexta sección, Metodología, se explica la metodología aplicada para desarrollar este proyecto y las razones por las cuales fue seleccionada.
En la séptima sección, Desarrollo, se plantea cada una de las fases de desarrollo del proyecto y se explica como se desarrollo cada dispositivo.
En la octava sección, Resultados, se enumeran los objetivos alcanzados y los resultados obtenidos.
En la novena sección, Conclusiones y recomendaciones, contiene algunas recomendaciones para desarrollos futuros y las conclusiones obtenidas.
